斜齿交错-非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构设计与优化

为获取一般性的空间行星轮系传动比,以达到直取秧和小穴口的插秧要求,在斜齿交错椭圆锥行星轮系分插机构的基础上,引入非圆锥齿轮,得到一种斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构,并应用于高速宽窄行插秧机当中。建立了非圆锥齿轮副节曲线的数学表达式和机构的运动学模型;基于Matlab开发平台开发了机构参数优化软件,利用该软件分析了节曲线形状、行星架初始安装角、斜齿轮螺旋角和非圆锥齿轮锥距对理想轨迹姿态、直取秧特征和穴口大小的影响,并以理想轨迹姿态、直取秧、小穴口等要求为目标,通过人机交互方式优选机构参数;与斜齿交错-椭圆锥行星轮系分插机构形成的总传动比及其轨迹进行对比,并得出了斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构轨迹在改进直取秧姿态、降低伤苗率等方面作业性能更优的结论。利用仿真软件Adams进行了机构的运动学仿真,加工分插机构实物,利用通用分插机构试验台完成机构插秧轨迹测试,得出斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构可以更好的满足水稻宽窄行插秧的要求,从而验证了非圆锥齿轮在宽窄行分插机构中应用的优越性。     

非圆锥齿轮球面齿廓数值计算方法

非圆锥齿轮传动是宽窄行分插机构实现空间插秧轨迹的重要组成部分,而满足不同机型的宽窄行分插机构需要设计不同参数的非圆锥齿轮。针对目前设计不同非圆锥齿轮需建立不同齿廓计算模型的问题,该文开展了基于样条曲线拟合封闭球面曲线的非圆锥齿轮大端齿廓数值计算方法研究,利用三次Nurbs曲线拟合方法建立了球面节曲线的统一表达式;根据齿形法线法和球面三角形性质建立了大端齿廓和齿根过渡曲线的数值计算模型,编写了基于Matlab的非圆锥齿轮大端齿廓计算程序;以一种步行式宽窄行分插机构的传动齿轮为例,当节点数取720时,齿槽齿厚差值可达到0.0037 mm,可以满足加工要求;并在ADAMS软件中采用齿间加载接触力的方式得到了与理论计算结果相吻合的齿轮传动比,验证了该齿廓计算方法的正确性,从而实现了非圆锥齿轮的通用化设计,为行星轮系式的宽窄行分插机构、取苗机构、植苗机构等种植机械关键部件实现期望运动轨迹提供技术支持。     

基于无函数表达节曲线的非圆齿轮分插机构设计与试验

针对行星轮系分插机构的非圆齿轮节曲线形状复杂、反求时难以用函数对非圆齿轮节曲线拟合的问题,把非圆齿轮的节曲线用数值点形式表示,提出了无函数表达非圆齿轮节曲线的设计方法。应用数值分析方法,对分插机构的秧针进行运动学分析;编写了人机交互设计和优化软件,研究设计变量对秧针运动轨迹和运动姿态的影响,对反求得到的无函数表达节曲线的非圆齿轮系进行检验和修正,完成了对行星架初始安装角等分插机构参数的优化。结果显示:非圆齿轮中心距为40.7 mm,齿轮齿数为19,行星架初始安装角为35°,栽植臂初始安装角为42°,秧针长度为142 mm,取秧角为12°,推秧角为75°为满足农业要求的分插机构的结构参数。秧针相对运动轨迹的高速摄影分析和田间插秧试验说明,求得的旋转式分插机构能够很好地满足插秧要求。该研究结果为高速插秧机核心工作部件的研发提供参考。     

基于D-H变换矩阵的宽窄行分插机构运动特性分析与设计

为满足水稻插秧机宽窄行插秧的需要,以高速插秧机的行星系分插机构为研究基础,根据宽窄行空间插秧轨迹的要求,提出了一种斜齿椭圆齿轮交错啮合传动的行星轮系分插机构。确定了分插机构空间插秧轨迹的关键参数,利用D-H变换矩阵建立了机构的轨迹模型,分析了关键参数对插秧轨迹的影响,并进行了机构的运动特性研究。利用编写的机构优化程序,通过人机交互的方式优化出一组满足空间插秧要求的机构参数,并根据参数完成了机构的设计。最后,通过虚拟仿真验证斜齿椭圆齿轮交错啮合传动的分插机构可以满足水稻宽窄行插秧的要求。     

偏心齿轮-非圆齿轮行星轮系在后插旋转式分插机构中的应用

针对步行式水稻插秧机的工作要求,将偏心齿轮—非圆齿轮行星轮系应用于水稻插秧机后插式分插机构的设计中,研制出偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构。分析了偏心齿轮—非圆齿轮行星轮系的运动学特性,建立运动学模型,并自主开发了分插机构辅助分析与优化软件,通过人机交互优化方式对该分插机构进行参数优化,完成了该分插机构的二维和三维设计,并进行了虚拟样机试验,试验结果表明：该分插机构可以形成“海豚形”插秧静轨迹,满足步行式水稻插秧机的工作要求。     

非圆齿轮行星轮系自动取苗机构逆向设计分析

单自由度传动机构实现复杂轨迹和姿态要求是机构设计难点,该文针对穴盘苗取苗机构运动要求开展非圆齿轮行星轮系传动机构的逆向设计研究,提出基于输出构件相对转角单调性的机构可再现轨迹判定准则,对于给定的预期轨迹,通过相对转角曲线的单调性判断非圆齿轮行星轮系传动的适用性;在预期轨迹的规划上研究轨迹关键点的设置方法以利于非圆齿轮的传动比设计,给出在满足机构工作轨迹和姿态要求下轨迹型值点的确定流程,编写机构的设计软件确定一组机构参数,通过ADAMS进行了机构仿真验证。研究结果表明,轨迹与送钵装置最小距离为21 mm,取苗尖嘴宽度为2.07 mm,尖嘴倾角为136.4°,取苗臂在入钵段摆角为24.3°,出钵段摆角为3.6°,投苗角为76°,齿轮模数为2.53 mm,轨迹高度为285 mm,轨迹最低位置与行星架最低点距离为34 mm,单级非圆齿轮最大传动比降为1.81,该研究为非圆齿轮行星轮系传动的设计提供了参考。     

步行式偏心-变位齿轮行星轮系宽窄行分插机构运动分析

为实现水稻宽窄行插秧,该文将偏心-变位齿轮行星轮系应用于步行式水稻插秧机分插机构中,并设计专用传动箱以满足水稻宽窄行插秧时秧针轨迹和姿态要求。分析了其结构特点和工作原理,建立了该机构运动学分析模型,编写了计算机辅助分析、仿真及优化程序,得到一组满足步行式宽窄行插秧的机构参数,建立了三维虚拟仿真模型,并在ADAMS中进行了虚拟试验,同时研制了样机并进行田间试验。试验结果表明宽行行距为403mm,窄行行距为197mm。虚拟试验和田间试验表明该分插机构满足步行式水稻插秧机宽窄行插秧的农艺要求。     

钵苗移栽机非圆齿轮行星轮系栽植机构参数分析与反求

为了更好地满足旱地钵苗移栽农艺要求,本文提出非圆齿轮行星轮系栽植机构。选取栽植机构栽植嘴运动轨迹上的若干点作为型值点,利用三次非均匀B样条曲线来控制和表达整条轨迹,并建立以轨迹为目标的该机构参数反求模型,推导栽植嘴的（角）位移、（角）速度和（角）加速度方程。基于MATLAB GUI开发平台,编写了该栽植机构的参数反求设计软件,利用该软件分析了若干型值点对该机构栽植嘴轨迹姿态及穴口形状等性能的影响。在型值点影响分析的基础上,以栽植机构栽植嘴理想轨迹姿态及穴口形状等要求为目标,通过软件的人机对话功能调整型值点,优选机构参数,提高立苗率和降低伤苗率。与七杆式栽植机构、多杆式栽植机构和椭圆齿轮行星轮系栽植机构相比,本栽植机构具有较优的作业性能和运动学特性。     

双控制分插机构的运动特性和优化分析

叙述了一种高速插秧机分插机构——双控制分插机构的结构原理，其传动由曲柄摇杆机构和行星齿轮系组成，完成插秧所需的运动轨迹。同时建立了机构的运动学模型，利用VB平台优化结构参数，使其可适应南方早稻和北方小苗插秧，所研制的分插机构的工作轨迹、取秧角和插秧角与理论分析和优化的结果完全一致。     

用于番茄果秧分离的多组非圆行星轮系振动发生器设计

针对现有用于番茄果秧分离的双偏心块振动发生器运动参数易受载荷影响、分离滚筒易堵塞以及前期研究的单组非圆行星轮系振动发生器传动部件载荷不均衡等问题,设计了一种三组非圆行星轮系振动发生器。对双偏心块式振动发生器驱动下分离滚筒的运动进行了分析,获取了分离滚筒拟合角位移、角速度曲线,并将其作为三组非圆行星轮系振动发生器的输出目标曲线。通过建立非圆齿轮传动比方程以及节曲线方程,确定了三组非圆行星轮系振动发生器非圆齿轮的基本参数。搭建了分离滚筒运动测试试验台,利用高速摄像系统在振动发生器输入转速为111 r/min,高速摄像系统帧率为800帧/s的参数条件下获得实测角位移、角速度,通过MATLAB软件获取了分离滚筒在三组非圆行星轮系振动发生器驱动下的角位移和角速度拟合曲线,并分别与对应的仿真曲线和目标曲线进行对比分析,结果表明:试验角位移和角速度曲线与仿真及目标曲线基本吻合。验证了非圆行星轮系振动发生器设计的合理性。通过ADAMS获取了三组和单组非圆行星轮系振动发生器的齿面接触力,通过对比分析,发现单组非圆行星轮系振动发生器的齿面接触力变化范围为0~200 000 N,三组非圆行星轮系振动发生器齿面接触力为0~125 N,验证了三组相对于单组非圆行星轮系振动发生器更加均衡的特性。该研究为多组非圆行星轮系番茄果秧分离振动发生器的开发提供参考。     

差速水稻钵苗Z字形宽窄行移栽机构设计

针对水稻钵苗宽窄行Z字形移栽农艺要求,提出了一种差速式水稻钵苗Z字形宽窄行移栽机构,利用差速轮系的不等速传动和空间传动,以空间轨迹实现水稻钵苗Z字形宽窄行移栽.将非均匀B样条曲线理论应用于非圆齿轮节曲线的拟合,并采用坐标变换方法建立了机构齿轮箱轮系的数学模型.将水稻钵苗Z字形宽窄行移栽的轨迹和姿态要求参数化为9个具体的运动学优化目标,编写了基于机构数学模型的可视化参数优化界面,利用该软件界面分析了传动箱非圆齿轮节曲线和齿轮箱非圆齿轮节曲线对轨迹形状的影响,以及斜齿轮螺旋角和取秧夹片长度与轨迹偏移量的关系.通过优化得到取秧段偏移量为3.9mm,取秧段轨迹有效长度为45.6mm,移栽机构离地高度为32.6mm,夹片离从动非圆齿轮牙嵌轴距离6.7mm的大环扣式移栽轨迹.完成了移栽机构的虚拟仿真与样机试制,利用自制试验台架、工业相机和图像处理软件对机构移栽臂运动轨迹和姿态进了分析,结果与理论数据吻合,验证了移栽机构方案的可行性和结构的合理性.     

非圆齿轮-连杆组合传动式蔬菜钵苗移栽机构设计

针对现有的单行星架轮系机构无法实现取栽一体式蔬菜移栽机构所需的作业轨迹和姿态问题,该文基于曲柄摇杆机构的变速摆动和非圆齿轮的不等速传动特性相结合的思想,提出一种双行星架非圆齿轮与连杆机构组合传动的取栽一体式蔬菜钵苗移栽机构。该机构的副行星架相对主行星架作变速摆动,移栽臂相对副行星架作回转运动。采用三次非均匀B样条拟合非圆齿轮节曲线建立移栽机构运动学模型。结合西芹移栽株距220 mm、苗高100～150 mm和穴钵深度40 mm的移栽农艺要求,优选出一组适合西芹钵苗取栽一体作业的尖嘴形轨迹和姿态。轨迹取苗段长度33 mm,植苗点距离行星架壳体运动最低点距地面高度55 mm,取苗角23°,取苗过程变化角16°,推苗角65°,轨迹整体高度355 mm,动轨迹环口高度125 mm。通过对比分析仿真轨迹、试验轨迹与理论分析的轨迹基本一致,验证了移栽机构作业轨迹的正确性和设计方案的可行性,该研究可为实现兼顾轨迹高度、取苗深度和作业姿态的取栽一体式蔬菜钵苗移栽机构设计提供技术参考。     

球面圆弧锥齿轮接触点轨迹方程

为了提高农业机械等领域的中央传动系统中齿轮的承载能力,减小中央传动的总体尺寸,降低机构的离地间隙,研究了一类理想状态下的球面圆弧锥齿轮。该文根据圆弧锥齿轮的啮合原理、坐标转换以及球面三角几何的方法,确定了球面圆弧锥齿轮接触点轨迹方程和齿轮副圆弧齿廓齿面方程,进一步完善了球面圆弧锥齿轮的设计理论,并根据研究出的方程,进行了齿轮的三维造型,为正确的设计和加工大端面呈理想球面且螺旋齿形端面为圆弧齿廓的球面圆弧螺旋锥齿轮提供了理论基础,也为后续的球面圆弧锥齿轮的参数化设计和数字化加工提供了研究基础。     

三移栽臂水稻钵苗移栽机构设计与试验

为了实现水稻钵苗的高效、稳定的移栽,在分析现有水稻钵苗移栽机构的研究现状基础上,该文设计了一种应用于水稻钵苗自动移栽机的三移栽臂非圆齿轮行星系水稻钵苗移栽机构。构建了一种非圆齿轮节曲线方程,建立了非圆-不完全非圆齿轮机构的运动学理论模型。开发了该水稻钵苗移栽机构的计算机辅助分析与优化软件,通过人机交互的方式得到一组较优的满足水稻钵苗移栽机构工作要求的参数,然后进行虚拟仿真及物理样机试验,通过对比分析虚拟仿真得到的工作轨迹与物理样机试验得到的工作轨迹基本一致;理论计算得到的角度差为45.18°,实际测量得到的角度差为45.77°,误差为1.31%,在误差范围以内,验证了该移栽机构设计的正确性。该机构的提出解决了秧苗倒伏、低移栽成功率的问题,提高了移栽效率。     

拟合齿轮五杆水稻钵苗移栽机构的机理分析与试验

钵苗移栽具有提高产量,增大精品粮种植面积等优点,该文作者基于双曲柄五杆水稻钵苗移栽机的结构形式,针对重要传动部件进行改进,开发了基于B样条拟合曲线的轻简化水稻钵苗移栽机构——拟合齿轮五杆水稻钵苗移栽机构。对该机构进行拟合齿轮节曲线传动分析,建立移栽机构运动学模型,运用matrix laboratory(MATLAB)中GUI平台开发出了水稻钵苗移栽机构辅助分析与参数优化软件,通过软件优化得出一组能够满足钵苗移栽要求的结构参数。建立三维模型,并通过automatic dynamic analysis of mechanical systems(ADAMS)进行虚拟样机仿真,初步验证机构的合理性。加工移栽机构核心部件,装配并在试验台架上进行试验研究。通过对移栽机构的试验台架试验,验证了移栽机构参数的合理性和有效性。以秧夹开口开度、秧夹夹持力、取秧频率为因素,以伤秧率和漏秧率为评价指标,选取二次回归正交旋转组合试验的方案,运用Design-Expert 7.0软件进行分析,得到的分析结果进一步验证了拟合齿轮五杆移栽机构的合理性。